Cogénération, trigénération et gestion de l’énergie des systèmes stationnaires à base de piles à combustible. Etat de l’art.
Face au changement climatique, différentes solutions s’offrent à nous pour réduire notre consommation d’énergies fossiles et nos émissions de gaz à effet de serre. Les piles à combustibles et les convertisseurs électrochimiques, qui disposent d’un rendement supérieur aux machines thermiques dites “conventionnelles” (moteurs, chaudières, turbines) [1,2] peuvent être utilisés comme moyens de production d’énergie électrique et thermique. Cet article décrit comment la cogénération et la trigénération (électricité, chaud et froid) à partir de piles à combustible dans les applications stationnaires (bâtiments notamment) permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre et d’améliorer l’efficacité énergétique des systèmes. Dans un premier temps, nous présentons les deux technologies de piles à combustible les plus utilisées dans le domaine stationnaire, les SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) et les PEMFC (Protons Exchange Membrane Fuel Cell) [3,4], avec leurs avantages et inconvénients. Puis, selon l’état de l’art, nous posons les avantages qu’offrent les piles à combustible pour la cogénération par rapport aux systèmes conventionnels. Nous détaillons ensuite l’utilisation des piles à combustible pour la trigénération. Enfin nous présentons le cas d’un système de cogénération (électricité et froid) et nous verrons l’importance de la qualité de la gestion des flux d’énergie. Le système présenté utilise le rayonnement solaire comme source d’énergie primaire, dont la prévision sera faite à l’aide d’outils basés sur l’intelligence artificielle afin de piloter au mieux l’installation. Le rayonnement solaire ainsi converti en électricité par le biais de panneaux photovoltaïques alimente de manière directe les équipements électriques (éclairage, prises électriques, climatisation par compression mécanique), ou, dans le cas d’une surproduction, sera stocké sous forme chimique grâce à un électrolyseur. L’hydrogène ainsi créé par l’électrolyseur est stocké dans un réservoir afin de pouvoir alimenter une pile à combustible pour fournir de l’électricité lorsque la source primaire n’est pas disponible. Au cours de son fonctionnement, la pile dégage de la chaleur qui peut être utilisée pour faire du stockage thermochimique [6]. Enfin, la production de froid est assurée par une pompe à chaleur qui peut être alimentée électriquement par les panneaux photovoltaïques et/ou alimentée thermiquement par la chaleur dégagée par la pile à combustible. L’ensemble du système est ensuite piloté par un algorithme pour la gestion et l’optimisation des flux énergétiques au sein du système.
[1] T. Elmer, M. Worall, S. Wu, et S. B. Riffat, « Fuel cell technology for domestic built environment applications: State of-the-art review », Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 42, p. 913‑931, févr. 2015. DOI : 10.1016/j.rser.2014.10.080
[2] V. Dorer, R. Weber, et A. Weber, « Performance assessment of fuel cell micro-cogeneration systems for residential buildings », Energy Build., vol. 37, no 11, p. 1132‑1146, nov. 2005. DOI : 10.1016/j.enbuild.2005.06.016
[3] D. Carter et J. Wing, « The Fuel Cell Industry Review 2013 ». Sept 2013
[4] M. van der Hoeven, « Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells ». Juin 2015.
[5] « micro-réseau isolé de cogénération intelligente d’électricité/froid », Agence nationale de la recherche. [En ligne]. Disponible sur: https://anr.fr/Projet-ANR-18-CE05-0043. [Consulté le: 08-oct-2019]
[6] F. Ferrucci, D. Stitou, P. Ortega, et F. Lucas, « Mechanical compressor-driven thermochemical storage for cooling applications in tropical insular regions. Concept and efficiency analysis », Applied Energy, vol. 219, p. 240‑255, juin 2018.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2020-044
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